張 晶

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)，山西 太谷 030801)

1 概述

1.1 研究的背景與意義

1.1.1 研究的背景

隨著最近幾年經(jīng)濟不斷發(fā)展，溫室氣體的排放（主要指CO2）所帶來的全球氣候回暖已然變成我們當代人最需要著手解決的全球性環(huán)境問題之一。大氣中溫室氣體濃度的不斷增加是全球氣候變暖的主要原因[1]。由于我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)田在我國占有很大的面積，而農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中排放的CO2在全球氣候變暖影響頗大，占據(jù)了很大的比例。菜地亦屬于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng),近年來菜地面積的不斷增加,因此研究菜地在不同季節(jié)與條件下土壤CO2和N20的排放特征及其產(chǎn)生機理是十分必要的。

1.1.2 研究的意義

土壤呼吸實際上是研究土壤生物活性的一個重要指標，它不僅可以反映土壤養(yǎng)分供應(yīng)而且還能反映土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化能力[2]。與此同時，CO2濃度還影響著區(qū)域內(nèi)甚至全球性的氣候變暖的趨勢。綜上，我們可以得出：研究農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的土壤呼吸的特征及其影響因素將對全球氣候變暖有重要的意義。土壤呼吸的變化對大氣中CO2產(chǎn)生顯著的影響，包括減緩或加劇作用，并且進一步的對全球氣溫的變化產(chǎn)生影響。我們以菜地為例進行土壤呼吸的研究。

1.2 土壤呼吸研究

1.2.1 土壤呼吸的概念

土壤呼吸（Soil Respiration），就像是人類的呼吸一樣，這個過程實質(zhì)上就是從土壤中釋放CO2的過程[3]。土壤微生物、作物根系、土壤動物的呼吸均可以釋放出大量的二氧化碳。土壤呼吸是表征土壤質(zhì)量與土壤肥力的重要指標之一，并且它也能響應(yīng)環(huán)境變化所產(chǎn)生的影響。當然了眾所周知，土壤呼吸的產(chǎn)物二氧化碳，也能夠為植物提供光合作用[4]。

1.2.2 土壤呼吸的研究進展

國外對土壤呼吸的研究最早是從19世紀初開始，到20世紀70年代對土壤的研究開始集中在溫帶草原、亞熱帶森林、溫帶森林，同時一些影響土壤呼吸的因素被逐步的發(fā)現(xiàn)：生物因素、非生物因素、N沉降等[5]。相比而言，我國開展土壤呼吸的研究的時間較晚，近些年我國學(xué)者主要是針對北方森林、熱帶季雨林、亞熱帶森林進行研討，但是研究成果并不突出，因此對土壤呼吸的研究顯得尤為重要。

2 研究區(qū)概況

2.1 研究區(qū)的概況

我們所研究的地區(qū)位于黑河流域中部的張掖灌區(qū)，它地處于我國西北部——甘肅省，河西走廊中部，黑河貫穿整個地區(qū)，山前沖積平原中部的沖積扇底部物產(chǎn)豐富，飽含有灌溉栽培綠洲農(nóng)作物以及樹木。區(qū)域內(nèi)以人造植被為主，擁有著獨一無二的沙漠綠洲的景觀。天氣的影響因素為中高緯度西風(fēng)環(huán)流以及極地冷空氣團。該區(qū)域是典型的大陸草原沙漠氣候。試驗區(qū)干燥，細雨，冬季寒冷漫長，夏季溫暖而短暫，多風(fēng)，多風(fēng)的天氣多。年平均氣溫約6°C，最熱月份為7月份，每年的降水量平均達到了114.9mm，降水量為70%，集中在生長季節(jié)，全年無霜期約為169d。

在試驗區(qū)選擇一塊辣椒地，采用LI－8100土壤碳通量測量系統(tǒng)(LI-COR，Lincoln，NE，USA)測定土壤R(土壤呼吸速率)，測量前在每塊樣地內(nèi)布設(shè)4個用來測定土壤碳通量的PVC環(huán)，在不破壞土壤結(jié)構(gòu)的前提下，將PVC環(huán)插入土中，保持PVC環(huán)截面垂直，并露出地面高約2cm，靜置2d后進行測量，測量在2017年7-9月進行(由于條件所限，未對其他月進行測量)，在每月上、中、下旬各選取4d進行土壤呼吸測量，每0.5h測定一次，每個土壤環(huán)重復(fù)測定2次[6]。在此我們選取每月中個一天來進行分析。土壤溫度采用LI－8100附帶的溫度探針測定,測定每個樣方5cm深度層次的土壤溫度，試驗期間每半小時測量1次，與測定土壤呼吸速率的時間同步。

2.2 研究的技術(shù)路線

用LI－8100進行相應(yīng)數(shù)據(jù)的測量并記錄在Excel表格中，采用Excel2003軟件進行繪圖，利用散點圖構(gòu)建數(shù)據(jù)模型，采用SPSS17.0對數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析。

3 菜地生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸的變化規(guī)律

圖1 各月份溫度變化圖

由圖1可以得出，七月份的溫度區(qū)間為19.61℃～24.79℃，最大值出現(xiàn)在13：00，八月份的溫度變化區(qū)間為 16.86℃～23.43℃，最大值出現(xiàn)在 15：00，九月份的溫度變化區(qū)間為12.5℃～19.75℃，最大值出現(xiàn)在14：30。從總體看每日的溫度變化規(guī)律都相同，都為單峰曲線，且峰值都在13點左右，并且在夜間土壤溫度都呈下降趨勢，可以看出七月份平均溫度較高，九月份平均溫度較低且九月份土壤溫度變化差值大。

圖2 土壤呼吸速率圖

土壤呼吸速率用單位時間、單位面積土壤排放出來的二氧化碳量表示。如圖2所示，在三個月份的土壤呼吸日變化規(guī)律圖中可以看出，土壤呼吸速率分布在 1.1～4.2μmol/(m2·s)范圍內(nèi)，且除了七月份較特殊外都為單峰曲線。在其他因素不影響的前提下，土壤呼吸最強總是出現(xiàn)在13：00-15：00之間，土壤呼吸速率最弱總是集中在23：00-6：00。在測試的三個月份中其中七月份測試的土壤呼吸速率日變化最小，八月份最大，說明土壤呼吸受天氣影響較大[7]。土壤呼吸速率隨著溫度的升高而增強，從7：00～12:00土壤呼吸速率逐漸增強，在13:00～15:00由于溫度達到最高，此時土壤呼吸速率也達到一天中的最高峰。17:00點之后土壤呼吸速率減弱。

七月、八月、九月是辣椒的不同生長季，隨著氣候的變化，土壤呼吸速率也呈現(xiàn)出不同的季節(jié)變化規(guī)律，在八月份中土壤呼吸速率的峰值相對七月份延后一小時左右。九月份較八月份又延后一小時左右。并且由于八月份溫度最高，所以土壤呼吸速率最高值出現(xiàn)在八月份，相對于日變化來說，各生長季土壤呼吸速率變化相對較小。

4 溫度、濕度對土壤呼吸速率的影響以及最佳測量時間

4.1 土壤溫度對土壤呼吸的影響

在分析數(shù)據(jù)時構(gòu)建了多個數(shù)學(xué)模型，通過比較相關(guān)系數(shù)(R2)的大小可以得出能較好擬合本次試驗研究的數(shù)據(jù)，通過比較我們選擇了如下模型[8]。土壤呼吸速率(R)與土壤溫度(T)和土壤濕度(W)關(guān)系的單變量模型如下:

溫度模型：R=aebT

濕度模型：R=aW+b

式中，R表示土壤呼吸速率μmol·m-2·s-1；a、b均為擬合系數(shù)；T為測量的5cm深的土壤溫度，W為土壤濕度。

圖3 溫度與土壤呼吸速率的關(guān)系

表1所示，七、八、九所得到的溫度與土壤呼吸速率間的關(guān)系各不相同。本次土壤溫度和土壤呼吸速率的指數(shù)模型七月份為：y=1.4244e0.011x，R2=0.124，其結(jié)果不成相關(guān)性，原因是由于辣椒地所種植的辣椒是移植到這塊土地，其生長還未表達出相應(yīng)的穩(wěn)定性[9]。八月份的指數(shù)模型為y=0.3476e0.0976x，R2=0.749，說明土壤溫度能夠解釋土壤呼吸速率在全年中75%的變化。土壤呼吸隨著土壤溫度的升高呈指數(shù)增加。九月份的指數(shù)模型為y=0.3476e0.0976x，R2=0.723，其可得出與八月份類似的結(jié)論。Q10值是土壤呼吸對溫度變化的敏感程度，即溫度每升高10℃，土壤呼吸增加的倍數(shù)[10]。公式計算公示：Q10=RT+10/RT，式中RT表示溫度為T℃時的土壤呼吸速率，RT+10表示溫度為T+10℃時的土壤呼吸速率，通過計算七月份Q10為1.25，八月份Q10為1、84，九月份Q10為1.83。試驗點Q10平均值為1.63。即土壤溫度每升高10℃土壤呼吸速率增大1.63倍。低于全球Q10平均值2.4，表明菜地生態(tài)系統(tǒng)敏感性交差。但是在不同的土壤溫度和土壤含水量的條件下，Q10值是不同的。

表1 溫度與土壤呼吸速率模型表

運用SPSS軟件進行相關(guān)性可以得出七月份溫度與土壤呼吸速率不具有相關(guān)性，其原因還是由于辣椒是移植到這片地，不能適應(yīng)生長。八月份與九月份都變現(xiàn)出顯著的相關(guān)性。分析溫度對是植物的生長發(fā)育以及相關(guān)功能的形成有重要的意義，也是重要的環(huán)境因子。如圖3所示當溫度低于正常溫度時，其呼吸速率相應(yīng)的也會受到一定程度的限制（其主要是受生物化學(xué)反應(yīng)限制），影響土壤呼吸的溫度是有臨界值的，溫度升高會使得呼吸升高，但是一旦其超過最適溫度后，便會抑制呼吸酶的活性，使得呼吸的速率開始下降。另一方面，溫度對土壤呼吸的影響還表現(xiàn)在通過影響氧氣以及土壤底物的供應(yīng)而間接影響土壤呼吸[11]。在土壤濕度一定的情況下，氣體擴散率隨著溫度的增加而提高；溫度的上升會使水分加快蒸發(fā)，土壤中氧氣擴散加快，促進土壤呼吸[12]。

4.2 土壤濕度對土壤呼吸的影響

土壤呼吸速率和土壤含水量在不同研究地點有不同的相互關(guān)系，有線性關(guān)系，指數(shù)關(guān)系，對數(shù)關(guān)系以及沒有關(guān)系。土壤濕度與土壤呼吸速率的關(guān)系很難用一個模型來描述。在這里經(jīng)過計算我們發(fā)現(xiàn)在運用線性模型R=aW+b時（如圖4所示），R2數(shù)值最接近于1，表明在生長季中土壤呼吸和土壤濕度的關(guān)系相對來說就比較清晰。用線性方程擬合得到七月份的線性方程為y=11.164x-10.344，R2=0.259（見表2），幾乎不能表現(xiàn)出其相關(guān)性，其原因是因為辣椒是從七月份才開始移植到這塊辣椒地，還不能表現(xiàn)出相應(yīng)的穩(wěn)定性。八月份的線性關(guān)系為y=86.162x-86.44，R2=0.607，九月份的線性關(guān)系為y=-17.972x+22.048，R2=0.454，其可以變現(xiàn)出相關(guān)性，但相關(guān)性并不顯著，原因是由于在人工種植的辣椒地中有灌溉因素影響濕度的變化。

圖4 濕度與土壤呼吸速率圖

根據(jù)SPSS相關(guān)性分析的得出八九月份都顯示出顯著的相關(guān)性，而七月份沒有相關(guān)性，其原因還是由于移植原因。土壤濕度是影響土壤生物進行呼吸的重要因素，因此土壤濕度對也土壤呼吸的作用也十分重要。通過研究我們發(fā)現(xiàn)水分對土壤呼吸的影響主要表現(xiàn)在：（1）影響土壤微生物活性和土壤的通透性；（2）對土壤溶解性有機質(zhì)的含量以及它的擴散產(chǎn)生影響；（3）影響了根系與相應(yīng)微生物的能量之間的比配[13]。當土壤水分適當?shù)臈l件下，土壤酶活性強，土壤中微生物活躍，CO2排放量或土壤呼吸速率高。

表2 濕度與土壤呼吸速率模型表

4.3 土壤呼吸最佳測量時間窗口

我們用偏差（deviation）來衡量各時間段土壤呼吸的平均值與日均值的差異大小，計算公式為偏差=（各時間段土壤呼吸平均值—日均值）/日均值×100%。每兩個小時計算一次偏差，由表3可以看出七月份偏差在1.97%～29.85%，八月份偏差在3.87%～52.28%，九月份偏差在5.18%～30.95%我們認為當偏差在15%內(nèi)為適當?shù)臏y量時間，所以七月份的最佳測量時間為 0：00-8：00、10：00-14：00、18：00-20：00、22：00-24：00，八月份最佳測量時間為 8：00-10：00、18：00-24：00，九月份最佳測量時間為 0：00-2：00、8：00-10：00、16：00-24：00，但是考慮實際情況我們不可能在晚上進行測量，所以菜地生態(tài)系統(tǒng)七月份最佳測量時間為10：00-14：00，八月份最佳測量時間為8：00-10-00，九月份最佳測量時間為8：00-10：00，綜上所述菜地生態(tài)系統(tǒng)最佳測量時間窗口在 8：00-10：00。

表3 各月份偏差表

不同樣地的偏差不同，也代表著有不同的測量時間段，可以根據(jù)偏差最小的數(shù)值來篩選出最佳的測量的時間段可以節(jié)省人力物力財力，土壤呼吸會隨著每日的溫度和光合作用的變化而變化[14]。因此對不同的生態(tài)系統(tǒng)進行短期測量是可行的，但是土壤呼吸日動態(tài)在長時間還取決于土壤的含水量與溫度等因素所以并不能帶代表長期的規(guī)律，因此不同的生態(tài)系統(tǒng)以及外界條件下測量的最佳時間是不同的[15]。

5 結(jié)論與展望

土壤呼吸是一個復(fù)雜的生物化學(xué)過程，受到溫度、濕度以及其他外界條件的影響，每日的土壤呼吸日變化規(guī)律都為單峰曲線，每個季節(jié)也表現(xiàn)出不同的規(guī)律，溫度是影響土壤呼吸的一個重要因子，土壤呼吸的日變換規(guī)律與溫度有顯著的線性關(guān)系，用SPSS分析也表現(xiàn)出了顯著的相關(guān)性，濕度對不同生態(tài)系統(tǒng)土壤呼吸變現(xiàn)出不同的關(guān)系，本研究利用線性關(guān)系來說明情況。不同的生態(tài)系統(tǒng)的土壤呼吸測量時間也不同，我們應(yīng)根據(jù)實際情況進行偏差分析。

鑒于土壤呼吸溫度、濕度最土壤呼吸的速率受到各種因素的影響，在氣候變化研究中有重要意義以及當前研究所存在的不足，未來迫切需要開展以下研究。

1)溫度對土壤呼吸的影響受到外界環(huán)境等各種方面的影響，如何排除其他因素確切的研究溫度對土壤呼吸速率的影響需要進一步深入研究。

2)濕度對土壤呼吸的影響研究有多個研究模型，我們?nèi)绾未_定以一個相對準確的模型也是一個有待解決的問題。